DE19841329C2

DE19841329C2 - Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE19841329C2
Application number: DE19841329A
Authority: DE
Inventors: Hans Fausten; Nicholas Fekete
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: IT1309044B1; DE19841329A1; ITRM990525A0; ITRM990525A1; FR2784140A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie in Form von Hochdruckspeicher-Einspritzanlagen, sogenannten Common-Rail-Einspritzanlagen, insbesondere für Dieselmotoren und direkteinspritzende Ottomotoren von Kraft fahrzeugen verwendet werden, sowie auf ein Betriebsverfahren hierfür nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

In der US 5 546 912 ist eine gattungsgemäße Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor offenbart, die eine Kraftstoffverteiler kammer aufweist, welcher Kraftstoff aus einem Tank mittels einer Kraftstoffpumpe zugeführt wird. Mehrere Einspritzeinheiten ent lassen den komprimierten Kraftstoff aus der Verteilerkammer in die Brennräume des Verbrennungsmotors. Der Verteilerkammer ist ein Druckaktuator in Form eines elektromechanisch angetriebenen Tauchkolbens zugeordnet, der dazu dient, in der Verteilerkammer vor oder während des Startvorgangs des Verbrennungsmotors mög lichst rasch einen ausreichend hohen Druck aufzubauen. Der Druckaktuator dient ferner zur Reduzierung des Druckes in der Verteilerkammer beim Stillsetzen des Verbrennungsmotors.

Aus der DE 197 20 731 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage für einen direkteinspritzenden Benzinmotor bekannt, die eine über eine Hochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgte Verteilerkammer aufweist. Die durch die Zufuhr und die Entnahme von Kraftstoff in der Verteilerkammer erzeugten Druckschwingungen werden durch einen an die Verteilerkammer angekoppelten Gasdruckdämpfer be grenzt.

Aus der DE 43 41 368 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage für einen Kraftfahrzeugverbrennungsmotor bekannt, die eine mit einem passiven Dämpferelement versehende Kraftstoffverteilerkammer aufweist. Das Dämpferelement, insbesondere eine Blasenschnur, ist im Inneren der Kraftstoffverteilerkammer angeordnet und sorgt für eine Dämpfung der durch die Schaltimpulse angeschlos sener Einspritzventile induzierten Druckschwingungen in unmit telbarer Nähe jedes einzelnen Einspritzventils.

Aus der US 5 058 553 ist eine Kraftstoffpumpe zur Versorgung ei ner Common-Rail-Einspritzanlage eines Dieselmotors mit Kraft stoff bekannt. Die Kraftstoffpumpe weist eine Förderdruckbegren zungsanordnung auf, welche die von ihr versorgte Kraftstoffver teilerkammer vor einer übermäßigen Druckbeaufschlagung, insbe sondere im Falle einer Fehlfunktion, schützt.

In der EP 0 243 871 A2 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für ei nen Dieselmotor offenbart, das eine Kraftstofförderpumpe zur Versorgung einer Verteilerkammer mit komprimiertem Kraftstoff umfaßt. Die Kraftstofförderpumpe weist ein in Abhängigkeit von den Betriebsbedinungen des Dieselmotors ansteuerbares Auslaßven til mit einer Kraftstoffrückführung auf. Dadurch werden sowohl der Druck in der Verteilerkammer als auch die Belastung der Pum pe an die Betriebsbedingungen des Dieselmotors angepaßt.

Aus der DE 197 08 152 A1 ist eine Einspritzanlage für einen Ver brennungsmotor bekannt, die eine Kraftstofförderpumpe zur Ver sorgung einer Verteilerkammer mit komprimiertem Kraftstoff auf weist. Die Kraftstofförderpumpe ist über eine Kurvenscheibe me chanisch mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt und weist zusätz lich ein in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen an steuerbares Überströmventil auf. Dadurch ist das Förderverhalten der Kraftstofförderpumpe mit den Kraftstoffeinspritzvorgängen des Verbrennungsmotors synchronisierbar.

Aus der DE 42 41 729 A1 ist ein kontinuierlich durchströmter Druckzerstäuberbrenner bekannt, bei dem ein elektro- oder mag netostriktiver Druckaktuator in der Förderleitung zu einer Zer stäuberdüse zwecks Beeinflussung des Massenstromes oder des Drucks des zugeführten Kraftstoffs vorgesehen. Der Druckaktuator ist in der Lage, dem flüssigen Kraftstoff, der dem Druckzerstäu ber zugeführt wird, Druckschwingungen aufzuprägen. Diese Druck schwingungen sollen durch negative Interferenz Druckschwankungen auslöschen, die von Förder- oder Zumeßeinrichtungen erzeugt wor den sein können. Ferner läßt sich ein schwankender Massenstrom an der Zerstäuberdüse erreichen, der sich zur Beeinflussung der Verbrennung und damit zum aktiven Unterdrücken von Verbrennungs schwingungen eignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einspritzanlage der eingangs genannten Art und ein Betriebsverfahren hierfür bereitzustellen, bei denen der Druck in der Verteilerkammer mit möglichst einfa chen Mitteln auf einem vorbestimmten Niveau konstant gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einspritzanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei der erfindungsge mäßen Einspritzanlage können Druckschwankungen in der Verteiler kammer kontinuierlich und unmittelbar kompensiert werden. Dies geschieht dadurch, daß der von dem Drucksensor erfaßte Druckist wert direkt von den Steuermitteln erfaßt und zur entgegenwirken den Ansteuerung des Druckaktuators herangezogen wird. Der Druck aktuator ist ständig ansteuerbar und gestattet eine kontinuier liche Beaufschlagung des Kraftstoffs in der Verteilerkammer mit Druckschwingungen. Die von dem Druckaktuator aufgebrachten Druckschwingungen sind derart gestaltet, daß sie den im laufen den Betrieb auftretenden Druckschwankungen entgegengerichtet wirken.

In Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 bestimmt eine Druckschätzeinheit den Druckverlauf in der Verteilerkammer in Abhängigkeit von dem Drucksensorausgangssignal im voraus. Dies erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines auf Erfahrungswerten und/ oder auf einem implementierten Algorithmus basierenden Druckver laufsmodells, das der Druckschätzeinheit vorgegeben sein kann. Dadurch läßt sich der Druckaktuator quasi verzögerungsfrei an steuern.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 3 wird der Druckistwert in der Verteilerkammer vorzugsweise kontinuierlich von einem Drucksensor erfaßt und nachfolgend einer Druckregel einheit zugeführt, die direkt den Druckaktuator derart ansteu ert, daß dieser eine den im laufenden Betrieb auftretenden Druckschwankungen entgegengerichtet wirkende Druckschwingung auf den Kraftstoff in der Verteilerkammer aufprägt. Das Verfahren dient insbesondere dazu, die durch die mit den Einspritzvorgän gen einhergehenden zyklischen Kraftstoffentnahmen induzierten Druckschwankungen in der Kraftstoffverteilerkammer zu kompensie ren und für alle Einspritzvorgänge einen konstanten Solldruck in der Verteilerkammer einzuregeln. Dies führt zu einer Vergleich mäßigung des Motorbetriebs und daraus resultierend zu reduzier ten Geräuschemissionen, einem reduzierten Kraftstoffverbrauch und reduzierten Schadstoffemissionen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die Figur zeigt hierzu schematisch den Regelkreis einer erfin dungsgemäßen Einspritzanlage.

Ein Verbrennungsmotor 1 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Diesel- oder ein direkteinspritzender Ottomotor, weist in nicht dargestellter Weise mehrere Brennräume auf, in die aus einer Einspritzanlage 2 flüssiger Kraftstoff mit hohem Druck einge spritzt wird.

Die Einspritzanlage 2, im vorliegenden Fall eine an sich bekann te Common-Rail-Einspritzanlage, umfaßt eine den Brennräumen ge meinsame Verteilerkammer 3 (Common Rail), in die von einer nicht dargestellten Kraftstofförderpumpe Kraftstoff gefördert wird und die als Zwischenspeicher und Druckreservoir für den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff dient. Über mehrere, nicht darge stellte Einspritzeinheiten wird der Kraftstoff aus der Vertei lerkammer 3 in die Brennräume des Verbrennungsmotors 1 entlas sen. In der Verteilerkammer 3 ist ein Drucksensor 4, der soge nannte Raildruck-Sensor, zur Überwachung des Druckes in der Verteilerkammer 3 angebracht. Ferner ist in der Verteilerkammer 3 ein Druckaktuator 5 zur Beeinflussung des Druckes in der Ver teilerkammer vorgesehen. Als derartiger Druckaktuator kommen insbesondere den piezo-elektrischen Effekt ausnutzende Elemente, d. h. sogenannte Piezo-Aktuatoren, in Frage. Sie zeichnen sich durch eine geringe Massenträgheit und somit hohe Arbeitsfrequen zen sowie ein geringes Bauvolumen und eine einfache Ansteuerbar keit aus. Der Druckaktuator 5 wird von Steuermitteln in Form ei ner Druckregeleinheit 6 angesteuert, der die Signale des Druck sensors 4 zugeführt werden. Damit sind der Druckaktuator 5 und der Drucksensor 4 unmittelbar über die Druckregeleinheit 6 gekoppelt.

Im laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors 1 werden in der Ein spritzanlage 2 und insbesondere in der Verteilerkammer 3 durch die Kraftstofförderpumpe und die Einspritzeinheiten einander über lagernde, hochfrequente Druckschwankungen erzeugt, aus denen sich ohne Gegenmaßnahmen eine schwankende Kraftstoffzumessung für die Brennräume des Verbrennungsmotors 1 und damit ein schwankendes Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors insgesamt ergeben körn te. Die Druckschwankungen in der Verteilerkammer 3 werden mit tels des Drucksensors 4 erfaßt und der Druckregeleinheit 6 über mittelt. Die Druckregeleinheit 6 generiert aus der Abweichung des durch den Drucksensor erfaßten Druckistwertes in der Verteiler kammer 3 vom Drucksollwert ein Ansteuerungssignal für den Druck aktuator 5. Der Druckaktuator 5 wird dadurch zur Erzeugung von Druckschwingungen veranlaßt, die er auf den in der Verteilerkammer 3 befindlichen Kraftstoff überträgt. Die von dem Druckaktua tor erzeugten Druckschwingungen überlagern sich gegenwirkend mit den aufgrund des Betriebs der Einspritzanlage erzeugten Druck schwankungen und eliminieren diese im Idealfall aufgrund negati ver Interferenz völlig.

Aufgrund der Trägheit des Drucksensors 4, des Übertragungsver haltens der Druckregeleinheit 6 sowie der (wenn auch geringen) Trägheit des Druckaktuators 5 können sich zeitliche Verzögerun gen zwischen der Erfassung der Abweichung des Druckistwertes in der Verteilerkammer vom Drucksollwert und der daraufhin ausgelö sten Reaktion des Druckaktuators 5 ergeben. Diesem Effekt kann dadurch begegnet werden, daß in der Druckregeleinheit 5 eine Druckschätzeinheit 7 vorgesehen ist, die unter Berücksichtigung eines vorgebbaren Druckverlaufsmodells den Druck in der Vertei lerkammer 3 in Abhängigkeit vom übermittelten Signal des Druck sensors 4 vorausbestimmt. Dieses Druckverlaufsmodell kann sowohl das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors 1, als auch das der Einspritzanlage 2 sowie das Übertragungsverhalten von Drucksen sor 4, Druckaktuator 5 und Druckregeleinheit 6 berücksichtigen. Es kann sowohl auf praktischen Erfahrungswerten (Messungen am realen System) als auch alternativ oder in Kombination auf vor gebbaren Algorithmen basieren. Die Druckschätzeinheit 7 ordnet damit einem bestimmten Druckistwertsignal des Drucksensors 4 einen wahrscheinlichen Druck in der Verteilerkammer 3 zum Zeitpunkt der Aktivierung des Druckaktuators 5 zu. Als Ausgangssignal übermittelt sie demzufolge einem Regler 8 nicht die Abweichung des gemessenen Druckistwerts vom Drucksollwert, sondern die Ab weichung des zum Zeitpunkt der Reaktion des Druckaktuators ver muteten Druckes in der Verteilerkammer vom Drucksollwert. Die Ansteuerung des Druckaktuators 5 erfolgt damit im Hinblick auf den geschätzten Druck in der Verteilerkammer 3.

Mit der dargestellten Vorrichtung läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchführen. Während des Betriebs des Ver brennungsmotors 1 und der zugehörigen Einspitzanlage 2 wird mittels des Drucksensors 4 der Druckistwert in der Verteilerkammer 3 erfaßt, vorzugsweise kontinuierlich oder in möglichst kurzen Zeitabständen. In einem optionalen Verfahrensschritt wird anhand des aktuellen Druckistwerts, gegebenenfalls auch vorheriger Druckistwerte, durch die Druckschätzeinheit 7 ein zu erwartender Druckwert im voraus bestimmt bzw. abgeschätzt. In einem nachfol genden Schritt wird entweder der Druckistwert oder der geschätz te, zu erwartende Druckwert in der Verteilerkammer 3 mit dem vorgegebenen Drucksollwert verglichen. Anschließend wird der Druckaktuator 5 dahingegehend angesteuert, daß er eine Bewegung ausführt, die eine zu der ermittelten Druckabweichung entgegen gesetzte Druckänderung in der Verteilerkammer 3 bewirkt.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Betriebsverfahren hierfür kann ein in einer Verteilerkammer insbesondere einer Common-Rail-Einspritzanlage angeordneter Druckaktuator während des Betriebes dieser Einspritzanlage auftretende hochfrequente Druckschwankungen durch entsprechend entgegengesetzte, von dem Druckaktuator generierte Druckschwingungen tilgen. Es wird eine Regelkreisanordnung vorgeschlagen, die möglichst verzögerungsarm oder mit Hilfe der Druckschätzeinheit quasi verzögerungsfrei un erwünschte Druckabweichungen vom Sollwert in der Verteilerkammer unterdrückt.

Claims

1. Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere Hochdruckspeicher-Einspritzanlage für einen Kraftfahrzeugver brennungsmotor, mit
einer gemeinsamen Verteilerkammer (3) zur Zwischen speicherung von in parallel angeschlossene Verbrennungs motorbrennräume einzuspritzendem Kraftstoff, der über eine Kraftstoff-Förderpumpe in die Verteilerkammer eingespeist wird,
einem Drucksensor (4) zur Erfassung des Drucks in der Ver teilerkammer,
einem Druckaktuator (5) als einem zusätzlich zur Kraftstoff- Förderpumpe vorhandenen Bauteil zur Beeinflussung des Drucks in der Verteilerkammer und
Steuermitteln (6, 7, 8) zur Ansteuerung des Druckaktuators,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuermittel (6, 7, 8) eine Druckregeleinheit (6) bein halten, welche den Druckaktuator (5) in Abhängigkeit von dem durch den Drucksensor (4) erfaßten Druckistwert in der Ve rteilerkammer (3) dergestalt ansteuern, daß im laufenden Betrieb auftretenden Druckschwankungen in der Verteiler kammer (3) entgegengewirkt wird.

2. Einspritzanlage nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregeleinheit (6) eine modellbasierte Druckschätzeinheit (7), welche den Druckverlauf in der Verteilerkammer (3) schätzt und der das Drucksensorausgangssignal zugeführt wird, und einen dieser nachgeschalteten Druckregler (8) umfaßt, der den Druckaktuator (4) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Druckschätzeinheit (7) ansteuert.

3. Verfahren zum Betrieb einer Einspritzanlage, insbesondere einer Hochdruckspeicher-Einspritzanlage für einen Verbrennungs motor eines Kraftfahrzeuges, bei dem
Kraftstoff über eine Kraftstoff-Förderpumpe in eine gemein same Verteilerkammer (3) eingespeist und dort zwischenge speichert und von dort in daran parallel angeschlossene Verbrennungsmotorbrennräume eingespritzt wird,
der Druckistwert in der Verteilerkammer (3) erfaßt wird und
der Druck in der Verteilerkammer (3) mittels eines Druck aktuators (5) als eines zusätzlich zur Kraftstoff-Förder pumpe vorhandenen Bauteils beeinflußt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Druckaktuator (5) von einer Druckregeleinheit (6) in Abhängigkeit vom erfaßten Druckistwert in der Verteilerkammer (3) dergestalt angesteuert wird, daß im laufenden Betrieb auftretenden Druckschwankungen in der Verteilerkammer entgegengewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlauf in der Verteilerkammer (3) mittels einer Druckschätzeinheit (7) modellbasiert geschätzt und der Druckaktuator (5) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Druckschätzeinheit von einem dieser nachgeschalteten Druckregler (8) angesteuert wird.